¿Se oxidará el carburo de silicio sinterizado sin presión para formar dióxido de silicio?
Elementos técnicos de implementación:
El objetivo de esta invención es introducir la fase compuesta sic-tib2-b4c para mejorar la resistencia a la flexión, dureza y otras propiedades de los materiales cerámicos, para luego agregar un aglutinante Las superficies de sic, tib2 y b4c se cubren previamente con poliimida para reducir la porosidad durante el proceso de sinterización, aumentar la densidad de sinterización y así mejorar el rendimiento del material.
Para lograr el propósito de la presente invención, la presente invención adopta la siguiente solución técnica: un método para preparar cerámicas compuestas de carburo de silicio sinterizado sin presión de alto rendimiento Las materias primas para preparar cerámicas compuestas de carburo de silicio. incluyen los siguientes componentes en peso:
SiC 70-80 partes, ti B2 13-18 partes, B4c 5-12 partes, dispersante 0,3-0,5 partes, resina fenólica 5-8 partes, polietileno 1- 2 partes, polietileno Alcohol 0-2 partes.
Preferiblemente, el método de preparación incluye los siguientes pasos:
(1) Pesar cada componente de acuerdo con la proporción de materia prima de la reivindicación 1 y agregar sic, tib2, b4c, mezcla de poliacilo. imina, dispersante y 40-60% de agua y molino de bolas durante 4-8 horas
(2) Después de reposar durante 65438±0-5h, secar en un horno de secado al vapor; >(3) Agregue resina fenólica y el 40-60% restante de agua y continúe moliendo con bolas durante 1-3 horas.
(4) Agregue polietileno y alcohol polivinílico y molino de bolas durante 1-3 horas; para obtener la lechada;
(5) Secar por aspersión y granular la lechada;
(6) Pasar el material granulado a través de un tamiz de malla 50-100, agregar agente desmoldante, el cuerpo verde se fabrica mediante un proceso de moldeo por compresión;
(7) Coloque el cuerpo verde en un horno de sinterización al vacío de alta temperatura y sinterícelo mediante un proceso de sinterización sin presión.
Preferiblemente, la velocidad de rotación del molino de bolas es de 50-500 rpm, y el tamaño de partícula después de la molienda de bolas en la etapa (1) es de 0,1-2 micrones.
Preferiblemente, el tamaño de partícula secada por aspersión es de 50 a 100 μm y el contenido de humedad es de 0,5 a 1,5 %.
Preferiblemente, la presión de moldeo es de 300-500 mpa.
El proceso de sinterización sin presión preferido es: calentar a 1200-1400 ℃ a una velocidad de 10-15 ℃/min, luego introducir gas inerte y luego calentar a 2000-2000 ℃ a una velocidad de ≥50 ℃/min. 2200 ℃, sinterización durante 2 horas.
Preferiblemente, el dispersante es uno o más de hexametafosfato de sodio, poliacrilato de amonio, citrato de amonio, lauril sulfato de sodio e hidróxido de tetrametilamonio.
Preferiblemente, el agente de liberación es uno o más de parafina microcristalina, cera de polietileno, nitruro de boro, estearato, talco, arcilla y mica.
En comparación con la tecnología existente, los efectos beneficiosos de la presente invención son:
Introducir tib2 y b4c sobre la base de sic para formar una fase compuesta sic-tib2-b4c, que Mejora la calidad de la cerámica. La resistencia a la flexión y la dureza del material.
Agregue poliimida para secar y fíjela en la superficie de las partículas sic, tib2 y b4c. Durante el proceso de sinterización, la porosidad del material se reduce mediante un calentamiento lento, se establece el límite de la red, se aumenta la densidad de sinterización y el rendimiento de. El material se mejora aún más. Las propiedades de la cerámica compuesta obtenida mediante la presente invención se seleccionan entre carburo de silicio sinterizado sin presión y pueden cumplir requisitos de rendimiento tales como resistencia al impacto y resistencia a golpes en condiciones de trabajo complejas.
Descripción detallada
La solución técnica de la presente invención se describirá con más detalle a través de ejemplos específicos. A menos que se indique lo contrario, todas las materias primas utilizadas en los ejemplos de la presente invención se utilizan comúnmente en la técnica, y los métodos utilizados en los ejemplos son todos métodos comunes en la técnica.
En una realización, las materias primas para preparar cerámicas compuestas de carburo de silicio incluyen los siguientes componentes en peso: SiC 70-80 partes, ti B2 13-18 partes, B4c 5-12 partes y dispersante 0,3 - 0,5 partes, 5-8 partes de resina fenólica y polietileno.
B4c es un material muy duro. Dispersarlo como fase de refuerzo en la matriz sic puede aumentar considerablemente la dureza del material. Tib2 se forma en la superficie del carburo de silicio y el carburo de boro, y el carburo de silicio y el carburo de boro se convierten en la base para que se adhiera el diboruro de titanio, por lo que las partículas más pequeñas de diboruro de titanio están rodeadas por carburo de silicio y carburo de boro, evitando que las partículas de diboruro de titanio se aglomeren. , Las partículas de diboruro de titanio en cerámica se utilizan para aumentar la resistencia a la flexión de las piezas: a altas temperaturas, tib2 puede formar una solución sólida con el si residual en la superficie del carburo de silicio, y el refuerzo con solución sólida puede mejorar la resistencia a la flexión del material. Además, tib2 puede humedecer sic y b4c para formar una fase compuesta sic-tib2-b4c, que tiene buena compatibilidad interfacial, promueve la sinterización y mejora las propiedades mecánicas del material.
La resina fenólica sirve como fuente de carbono, lo que hace que el dióxido de silicio en la superficie del carburo de silicio forme carburo de silicio durante la sinterización, aumentando así la energía superficial del carburo de silicio y promoviendo la sinterización. Después de la sinterización, no quedan residuos de silicio en el producto, lo que mejora la resistencia a la corrosión del producto. Se utilizan polietileno y alcohol polivinílico como aglutinantes para unir el carburo de silicio y otras partículas. La densidad aumenta durante la sinterización sin presión y es necesario controlar razonablemente el contenido de aglutinante. Cuanto mayor sea el contenido de aglutinante, más densa será la red formada después del secado y mayor será la fuerza de unión. Sin embargo, un contenido excesivo de aglutinante reducirá la densidad de las cerámicas compuestas de carburo de silicio.
En una realización, el método de preparación de cerámicas compuestas de carburo de silicio incluye los siguientes pasos:
(1) Pesar cada componente según la proporción de materia prima y agregar sic, tib2, y b4c, poliimida, dispersante y 40-60 % de agua mezclados durante 4-8 horas. La molienda de bolas húmedas no solo puede dispersar el polvo de manera uniforme, sino también refinar el tamaño de las partículas cerámicas y obtener un sistema uniformemente disperso con granos refinados.
(2) Después de reposar durante 65438±0-5 horas, secarlo en un horno de secado a vapor.
(3) Agregar resina fenólica y el 40-60% restante de agua; y continúe con el molino de bolas durante 1 a 3 horas.
(4) Agregue polietileno y alcohol polivinílico y utilice un molino de bolas durante 1 a 3 horas para obtener una suspensión.
(5) Secar por aspersión y granular la suspensión. La suspensión mezclada se pulveriza directamente con aire caliente y se seca en poco tiempo para obtener partículas de polvo esféricas regulares. La granulación antes del moldeo por compresión puede evitar la aglomeración y separación por sedimentación de los componentes, mantener la uniformidad original de la suspensión y obtener un polvo con una distribución uniforme del tamaño de partículas y buena fluidez.
(6) Pasar el material granulado por un tamiz de malla 50-100, agregar un desmoldeante y realizar un cuerpo verde mediante un proceso de moldeo por compresión.
(7) Pasar el cuerpo verde Póngalo en un horno de sinterización al vacío de alta temperatura y utilice tecnología de sinterización sin presión para la sinterización.
En este ejemplo, primero, se mezcla poliimida con partículas sic, tib2 y b4c para un molino de bolas. Durante el proceso de reposo, la poliimida se adsorbe sobre la superficie de las partículas y la poliimida sobre la superficie de las partículas se fija mediante secado. El polietileno aglutinante y el alcohol polivinílico se forman alrededor de la periferia de la poliimida en una molienda de bolas posterior, de modo que las partículas sic, tib2 y b4c forman una capa de poliimida y una capa aglutinante de adentro hacia afuera. La tasa de descomposición térmica de la capa adhesiva es menor que la de la poliimida. Durante el proceso de sinterización, la capa aglutinante primero se descompone y volatiliza térmicamente, y los poros formados se llenan con poliimida. Luego, la poliimida se descompone térmicamente y las partículas sic, tib2 y b4c se unen entre sí, reduciendo así el riesgo durante la sinterización sin presión. proceso, aumentando la densidad.
En una realización, la velocidad de rotación del molino de bolas es de 50 a 500 rpm y el tamaño de partícula después de la molienda de bolas en el paso (1) es de 0,1 a 2 micras. La cerámica compuesta está compuesta de sic. Polvos tib2 y b4c El tamaño de partícula determina el tamaño de grano en la pieza sinterizada, afectando así el rendimiento de la cerámica. Controlar el tamaño de grano de los polvos sic, tib2 y b4c a 0,1-2 μm ayuda a obtener granos de un tamaño de grano adecuado.
En una realización, el tamaño de partícula secada por aspersión es 50-65438±000 µm y el contenido de humedad es 0,5-65438±0,5%. El contenido de humedad de los materiales granulares tiene una gran influencia en la sinterización. La humedad restante forma vapor de agua durante el proceso de sinterización. El vapor de agua reacciona fuertemente con el carburo de silicio a altas temperaturas para generar silicio, carbono o dióxido de silicio, lo que afecta la adhesión entre las partículas y reduce la densidad del material.
En una realización, la presión de moldeo es de 300-500 MPa.
En una realización, el proceso de sinterización sin presión consiste en: calentar a 1200-1400 °C a una velocidad de 10-15 °C/min, luego fluir en gas inerte y luego calentar a una velocidad de ≥ 50 °C/min. Calentar a 2000-2200 ℃ y mantener caliente.
Durante el proceso de sinterización, antes de elevar la temperatura a 1200-1400 ℃, calentar a una velocidad de 10-15 ℃/min puede extender el intervalo de descomposición térmica entre la capa adhesiva y la capa de poliimida, haciendo que la poliimida La capa de imina tiene tiempo suficiente para rellenar los poros dejados por la descomposición de la capa de pegamento. Durante el proceso de sinterización, la sección de alta temperatura se llena con gas inerte como protección.
En el siguiente ejemplo, la poliimida se selecciona específicamente de DuPont Vespel, el alcohol polivinílico es Japan Coke PVA-217, la cera de polietileno es lp0020p de Tailandia SCG Chemical Company y el polietileno es de Sinopec 3300f. , la resina fenólica se adquirió de Henan Binhai Industrial Co., Ltd., modelo 2130.
Ejemplo 1
En el método de preparación de cerámicas compuestas de carburo de silicio en esta realización, las partes en peso de las materias primas son: 75 partes de SiC, 15 partes de ti B2, 10 partes de B4c, 0,4 partes de hexametafosfato de sodio, 6 partes de resina fenólica, 1,5 partes de polietileno, 5 partes de alcohol polivinílico y 0,5 partes de cera de polietileno.
Pese cada componente de acuerdo con la proporción de materia prima anterior, mezcle sic, tib2, b4c, poliimida, hexametafosfato de sodio y 60% de agua y molino de bolas durante 6 horas. La velocidad de molienda de bolas es 65438±000 r/. min, el tamaño de partícula después de la molienda con bolas es de aproximadamente 65438 ± 0 μm; después de reposar durante 3 horas, se seca en un horno de secado al vapor, luego se agrega resina fenólica y el 40% restante de agua y se continúa con la molienda con bolas durante 2 horas; y alcohol polivinílico, molino de bolas durante 2 horas para obtener la suspensión, secar por aspersión la suspensión para granularla, con un tamaño de partícula de aproximadamente 80 µm y un contenido de humedad de aproximadamente 65438 ± 0,0 %; pasar el material granulado a través de una malla de 60; tamizar, añadir cera de polietileno y presionar a 400 mpa hasta obtener un cuerpo verde; colocar el cuerpo verde en un horno de sinterización al vacío de alta temperatura, primero calentarlo hasta 1300°C a una velocidad de aproximadamente 11°C/min, luego agregar gas argón, y luego se calentó hasta 2100°C a una velocidad de 70°C/min, y luego se calentó para sinterizar en 3 horas, se obtuvieron cerámicas compuestas de carburo de silicio sinterizadas.
Ejemplo 2
En el método de preparación de cerámicas compuestas de carburo de silicio en esta realización, las partes en peso de las materias primas son: 75 partes de SiC, 15 partes de ti B2, 10 partes de B4c, 0,4 partes de hexametafosfato de sodio, 6 partes de resina fenólica, 1,5 partes de polietileno, 5 partes de alcohol polivinílico y 0,5 partes de cera de polietileno.
Pese cada componente de acuerdo con la proporción de materia prima anterior, mezcle sic, tib2, b4c, poliimida, hexametafosfato de sodio y 60 % de agua y un molino de bolas durante 6 horas. La velocidad de molienda de bolas es de 100 r/min. el tamaño de partícula después de la molienda con bolas es de aproximadamente 5 μm; después de reposar durante 3 horas, se seca en una caja de secado al vapor, luego se agrega resina fenólica y el 40% restante de agua y se continúa moliendo con bolas durante 2 horas; molino de bolas durante 2 horas obtener la suspensión; secar por aspersión y granular la suspensión con un tamaño de partícula de aproximadamente 80 μm y un contenido de humedad de aproximadamente 65438 ± 0,0 %; pasar el material granulado a través de un tamiz de malla 60; agregar cera de polietileno; , y presiónelo a 400 MPa para formar un cuerpo verde; coloque el cuerpo verde en un horno de sinterización al vacío de alta temperatura, primero aumente la temperatura a 1300 °C a una velocidad de aproximadamente 11 °C/min, luego introduzca gas argón. luego aumente la temperatura a 2100°C a una velocidad de 70°C/min y continúe sinterizando durante 3 horas para obtener cerámicas compuestas de carburo de silicio sinterizado sin presión.
Ejemplo 3
En el método de preparación de cerámicas compuestas de carburo de silicio en esta realización, las partes en peso de las materias primas son: 75 partes de SiC, 15 partes de ti B2, 10 partes de B4c, 0,4 partes de hexametafosfato de sodio, 6 partes de resina fenólica, 1,5 partes de polietileno, 5 partes de alcohol polivinílico y 0,5 partes de cera de polietileno.
Pese cada componente de acuerdo con la proporción de materia prima anterior, mezcle sic, tib2, b4c, poliimida, hexametafosfato de sodio y 60% de agua y molino de bolas durante 6 horas. La velocidad de molienda de bolas es 65438±000 r/. min, el tamaño de partícula después de la molienda con bolas es de aproximadamente 65438 ± 0 μm; después de reposar durante 3 horas, se seca en un horno de secado al vapor, luego se agrega resina fenólica y el 40% restante de agua y se continúa con la molienda con bolas durante 2 horas; y alcohol polivinílico, molino de bolas durante 2 horas para obtener la suspensión, secar por aspersión la suspensión para granularla, con un tamaño de partícula de aproximadamente 200 µm y un contenido de humedad de aproximadamente 65438 ± 0,0 %; pasar el material granulado a través de una malla de 60; tamizar, añadir cera de polietileno y presionar a 400 mpa hasta obtener un cuerpo verde; colocar el cuerpo verde en un horno de sinterización al vacío de alta temperatura, primero calentarlo hasta 1300°C a una velocidad de aproximadamente 11°C/min, luego agregar gas argón, y luego calentarlo hasta 2100°C a una velocidad de 70°C/min, y seguir sinterizando en 3 horas, se obtuvieron cerámicas compuestas de carburo de silicio sinterizadas.
Ejemplo 4
En el método de preparación de cerámicas compuestas de carburo de silicio en esta realización, las materias primas incluyen los siguientes componentes en peso: 70 partes de SiC, 13 partes de TiB2, 6 partes de B4c. , 0,3 partes de citrato de amonio, 5 partes de resina fenólica, 0 partes de polietileno, 4 partes de alcohol polivinílico, 2 partes de parafina microcristalina y poliimida.
Pese cada componente de acuerdo con la proporción de materia prima anterior, mezcle sic, tib2, b4c, poliimida, citrato de amonio y 50% de agua y un molino de bolas durante 5 horas. La velocidad de molienda de bolas es de 200 r/min. el tamaño de partícula después de la molienda con bolas es de aproximadamente 65438 ± 0 μm; después de reposar durante 2 horas, se seca en un horno de secado al vapor, luego se agrega resina fenólica y el 50 % restante de agua y se continúa con la molienda con bolas durante 65438 ± 0 horas; alcohol polivinílico, molino de bolas durante 3 horas para obtener una suspensión, secar por aspersión la suspensión para obtener gránulos con un tamaño de partícula de aproximadamente 50 µm y un contenido de humedad de aproximadamente 0,5 %; pasar el material granulado a través de un tamiz de malla 80; agregar; parafina microcristalina y presionar a 300 mpa para formar un cuerpo en blanco; colocar el cuerpo verde en un horno de sinterización al vacío de alta temperatura, primero calentarlo hasta 65438 ± 0,200 °C a una velocidad de aproximadamente 65438 ± 0,5 °C/min. , luego introduzca gas argón y luego caliéntelo hasta 2000 °C a una velocidad de 60 °C/min. Mantenga la temperatura y sinterice durante 2 horas para obtener cerámicas compuestas de carburo de silicio sinterizado.
Ejemplo 5
En el método de preparación de cerámicas compuestas de carburo de silicio en esta realización, las materias primas incluyen los siguientes componentes en peso: 80 partes de SiC, 18 partes de ti B2, 10 partes de B4c 0,3 partes de lauril sulfato de sodio, 8 partes de resina fenólica, 2 partes de polietileno, 6 partes de alcohol polivinílico, 4 partes de estearato de zinc y poliimida.
Pese cada componente de acuerdo con la proporción de materia prima anterior, mezcle sic, tib2, b4c, poliimida, lauril sulfato de sodio y 60% de agua y un molino de bolas durante 7 horas, la velocidad del molino de bolas es 65438 ±000 r /min, el tamaño de partícula después de la molienda con bolas es de aproximadamente 65438 ± 0,2 μm; después de reposar durante 4 horas, se seca en una caja de secado al vapor y luego se agrega resina fenólica y el 40 % restante de agua, y se continúa con la molienda con bolas; polietileno y polietileno alcohol vinílico, molino de bolas durante 2 horas para obtener una suspensión; secar por aspersión la suspensión y el granulado, el tamaño de partícula es de aproximadamente 65438 ± 000 μm y el contenido de humedad es de aproximadamente 65438 ± 0,5 %; Tamiz de malla 60 y se añade ácido esteárico. Se prensa el zinc en un cuerpo verde a 400 MPa; se coloca el cuerpo verde en un horno de sinterización al vacío de alta temperatura, primero se calienta a 1400 °C a una velocidad de aproximadamente 10 °C/min. , luego agregue gas argón y luego caliéntelo a una velocidad de 90 ° C / min a 2200 ° C y manténgalo durante 3 horas para obtener cerámicas compuestas de carburo de silicio sinterizado.
Ejemplo Comparativo 1
La diferencia entre el Ejemplo Comparativo 1 y el Ejemplo 1 es que el material compuesto cerámico de carburo de silicio del Ejemplo Comparativo 1 no contiene poliimida, y otros aspectos son los mismos que Ejemplo 1.
Ejemplo Comparativo 2
La diferencia entre el Ejemplo Comparativo 1 y el Ejemplo 1 es que al material compuesto cerámico de carburo de silicio del Ejemplo Comparativo 1 se le añade poliimida, polietileno y alcohol polivinílico, otros. son los mismos que en el Ejemplo 1.
Ejemplo Comparativo 3
La diferencia entre el Ejemplo Comparativo 1 y el Ejemplo 1 es que el material compuesto cerámico de carburo de silicio del Ejemplo Comparativo 1 no contiene tib2.
Ejemplo comparativo
La diferencia entre el Ejemplo comparativo 1 y el Ejemplo 1 es que el material compuesto cerámico de carburo de silicio del Ejemplo comparativo 1 no contiene b4c y, por lo demás, es el mismo que el Ejemplo 1. .
Ejemplo Comparativo 5
La diferencia entre el Ejemplo Comparativo 1 y el Ejemplo 1 es que el material compuesto cerámico de carburo de silicio del Ejemplo Comparativo 1 no contiene tib2 y b4c.
Ejemplo comparativo 6
La diferencia entre el Ejemplo comparativo 1 y el Ejemplo 1 es que el proceso de sinterización sin presión del material compuesto cerámico de carburo de silicio en el Ejemplo comparativo 1 es a aproximadamente 5°C. La temperatura se elevó a 1300°C a una velocidad de /min, y los demás fueron los mismos que en el Ejemplo 1.
Ejemplo comparativo 7
La diferencia entre el ejemplo comparativo 1 y el ejemplo 1 es que el proceso de sinterización sin presión del material compuesto cerámico de carburo de silicio en el ejemplo comparativo 1 se realiza a aproximadamente 30 °C. La temperatura se elevó a 1300°C a una velocidad de /min, y los demás fueron los mismos que en el Ejemplo 1.
Se probaron las cerámicas compuestas de carburo de silicio de los Ejemplos 1-5 y los Ejemplos Comparativos 1-7, y los resultados se muestran en la Tabla 1.
Como se puede observar en la Tabla 1, la densidad y el rendimiento de los Ejemplos Comparativos 1-7 son menores que los de las cerámicas compuestas de carburo de silicio de los Ejemplos 1-5, especialmente el Ejemplo Comparativo 1, que exhibe una menor evidencia. rendimiento que los Ejemplos 1-5, Ejemplos Comparativos 3, 4 y 5 respectivamente. Sin embargo, el Ejemplo 1 tuvo el mejor rendimiento en comparación con el Ejemplo 2-5, que seleccionó mejores parámetros para este ejemplo.
Las realizaciones específicas descritas son meras ilustraciones del espíritu de la invención. Los expertos en la técnica a la que pertenece la presente invención podrán realizar diversas modificaciones o adiciones a las realizaciones específicas descritas, o sustituirlas de manera similar, pero no se apartarán del espíritu de la presente invención ni excederán el alcance definido por el documento adjunto. reclamos.
El vapor actúa a 1300-1400℃, pero no actúa con fuerza hasta 1775-1800℃: SiC+2H2O→SiO2+CH4.
En oxígeno, el SiC no se oxida por debajo de 1000°C, pero se oxida significativamente a 1350°C. El SiO_2 se forma entre 1350 y 1500 ℃, mientras que el SiO_2 se funde alrededor de 1700 ℃. El SiO2_2 generado durante el proceso de fusión cubre el SiC y evita una mayor oxidación del SiC.
A 1750 ℃, el SiC se oxida fuertemente según la siguiente reacción:
SiC+3/2O2→SiO2+CO
SiC+2O2→SiO2+ CO2